导语：近期，发表在Nature上的一项研究介绍了一种新的分子模型——TransTACs，用于在肿瘤和其他细胞类型中降解膜蛋白，极具创新性，且在实际应用中显示出了高效降解多种膜蛋白的能力，为肿瘤治疗及药物研发注入了新的活力。
2024年9月，Nature发表了题为“Transferrin Receptor Targeting Chimeras (TransTACs) for Membrane Protein Degradation”的研究论文，介绍一种新型的分子模型——Transferrin Receptor TArgeting Chimeras（TransTACs），用于在肿瘤和其他类型的病灶细胞中降解膜蛋白。
研究背景
肿瘤细胞因其快速增殖需求而过度表达铁载体蛋白Transferrin Receptor（TfR），这一特性被最新研究中的TransTAC技术所利用。TransTACs是一种新型分子，旨在通过TfR的快速内吞作用实现膜蛋白的靶向降解。在靶向蛋白降解（TPD）领域，尽管已有研究集中于小分子药物，但膜蛋白降解作为一种新兴治疗手段，其潜力正逐渐被认识。鉴于膜蛋白在细胞功能中的核心作用及其作为药物靶点的广泛性，开发有效的膜蛋白降解策略对于基础研究和临床治疗至关重要。
尽管已有膜受体降解策略，但其效果常受限于组织特异性表达。例如，GalNAc-LYTAC技术主要针对肝脏，而RNF43或ZNRF3方法更适用于Wnt信号通路相关疾病。这些限制促使研究者寻求更广泛的疾病和组织适用性，以提高治疗的靶向性和特异性。
TfR1的高表达和快速内化的特性使其成为肿瘤治疗的有吸引力的靶点。多项研究表明，TfR1不仅是肿瘤治疗的潜在靶标，也可用于肿瘤成像和药物递送。本研究中，我们利用TfR1的这些特性，开发了TransTAC技术，这是一种异双特异性抗体，能够在细胞表面拉近目标蛋白与TfR，并在内体中分离它们以实现溶酶体降解。TransTACs显示出对多种膜蛋白的高效降解能力，包括单通道、多通道、天然和合成受体，降解效率超过80%，且具有快速内吞动力学，为肿瘤治疗和细胞表面蛋白研究提供了新的工具。
研究设计
本研究是一项创新的分子生物学研究，研究者们采用了蛋白工程技术，将目标蛋白从循环内体转运重定向至溶酶体降解。研究中，TransTACs被设计为异双特异性抗体，能够在细胞表面将目标蛋白（POI）和TfR拉近，并在内体中分离它们以实现溶酶体介导的降解。研究涉及多种细胞系，包括肺癌、乳腺癌、宫颈癌、淋巴瘤和白血病细胞系，以及非肿瘤细胞系，通过流式细胞术测量TfR1表达水平，并进行了一系列体外实验来验证TransTACs的降解效率。
研究结果
研究结果表明，TransTACs能够高效降解多种单通道、多通道、天然或合成膜蛋白，降解效率超过80%。特别是在针对CAR-T细胞疗法中，TransTACs显示出快速的内吞动力学，能够在几分钟内实现目标蛋白的内吞。此外，TransTAC分子完全重组、多功能且模块化，这使得TransTACs成为精确调控细胞表面靶点的有前景的工具，特别是在肿瘤和免疫细胞中，为研究和医学中精确靶向细胞外蛋白质组提供了新的机会。
TransTAC技术的高效降解能力
本研究中，TransTAC技术展现了对多种膜蛋白的高效降解能力。具体而言，TransTACs能够降解包括单通道、多通道、天然或合成膜蛋白在内的多种蛋白质，降解效率超过80%。在针对CAR-T细胞疗法的研究中，TransTACs显示出了快速的内吞动力学，能够在几分钟内实现目标蛋白的内吞（图1a）。这一发现表明，TransTAC技术不仅能够迅速降低细胞表面蛋白水平，而且这种响应是持久的，即使在3小时后，细胞表面蛋白水平仍然维持在较低水平。
图1 TransTACs的构效关系、机制和体内特征
特定膜蛋白的降解效果
研究者们进一步验证了TransTAC技术对特定膜蛋白的降解效果。例如，针对免疫检查点受体PD-L1的TransTAC（PD-L1-TransTAC）在MDA-MB-231乳腺癌细胞中能够实现高达98%的PD-L1降解（图1b）。同样，针对EGFR的TransTAC（EGFR-TransTAC）在A549肺癌细胞中能够实现80-90%的EGFR降解（图1c）。此外，针对B细胞特异性表面标志CD20的TransTAC（CD20-TransTAC）在Raji细胞中能够实现高达97%的CD20降解（图1d）。这些结果不仅证实了TransTAC技术的普适性和高效性，也为未来针对不同膜蛋白的降解提供了有力的技术支持。
图2 开发用于各种蛋白质的TransTACs降解剂
TransTAC的分子设计和优化
研究还涉及了TransTAC分子设计和优化的过程。通过对比不同版本的TransTAC，研究者们发现双特异性TransTAC（如v1.0）比单特异性TransTAC（如v0.2）更有效（图2d）。此外，引入可被溶酶体中的组织蛋白酶切割的敏感链接器，以及使用抗TfR1单链Fv（scFv）替代天然转铁蛋白（TF）配体，进一步提高了TransTAC的降解效率（图3a）。这些分子设计上的改进，不仅增强了TransTAC的降解能力，也为未来TransTAC的进一步优化提供了方向。
图3 TransTAC降解器工程
TransTAC的体内耐受性和药代动力学
在体内实验中，TransTAC显示出良好的耐受性和与IgG相似的血浆半衰期。通过向裸鼠腹腔注射不同剂量的CD20-TransTAC，研究者们观察到TransTAC在体内能够维持长达10天的血浆水平，且未引起明显的体重变化（图1g-i）。这些结果表明，TransTAC不仅在体外实验中表现出色，在体内也具有良好的稳定性和生物利用度，为其临床应用提供了重要的前期数据。
总结讨论
本研究表明，TransTAC技术作为一种新型的蛋白降解方案，不仅在理论上具有创新性，而且在实际应用中显示出了高效降解多种膜蛋白的能力。TransTACs的肿瘤和免疫细胞特异性、遗传可操作性和快速内吞动力学，预示着其在基础研究和治疗应用中可能产生重大影响。此外，TransTAC技术是首个利用自然循环途径而非溶酶体穿梭配体来实现靶向蛋白降解的设计，这一创新可能会推广到其他细胞表面效应物，扩大可用于蛋白降解的细胞表面效应物的潜在范围。研究者们认为，TransTAC技术的发展将为肿瘤治疗提供新的策略，并可能改善患者的治疗结果。
参考文献
ZHANG D, DUQUE-JIMENEZ J, FACCHINETTI F, et al. Transferrin receptor targeting chimeras for membrane protein degradation. Nature. Published online September 25, 2024. doi:10.1038/s41586-024-07947-3.
